第十章 直流电源

第十章直流电源10.1单相整流电路10.2滤波电路10.3倍压电路10.4稳压电路10.5集成稳压电路10.6开关型稳压电路

有些设备需要用直流电源供电。获得直流电源的方法很多，如采用干电池、蓄电池、直流电机等。但是经济实用的办法是把交流电源变成直流电源，这是我们本章讨论的重点。将交流变为直流的电路称为直流电源，组成框图如下：绪论：

负载电网电压电源变压器

整流电路滤波电路稳压电路直流稳压电源的组成和功能整流电路的作用是利用二极管的单向导电特性，将正弦交变电压u2变为单方向的脉动电压u3。电源变压器是将电网交流电压u1变为合适的交流电压u2。滤波电路的作用是将滤除脉动电压u3中的脉动成分，使其变成比较平滑的直流电压u4。稳压电路的作用是保持输出电压uo在电网电压波动或负载变化时保持稳定。直流稳压电源的组成和功能

负载电网电压tu1tuitu2tu3tu0电源变压器

整流电路滤波电路稳压电路10.1单相整流电路整流电路是利用二极管的单向导电特性，将正负交替变化的正弦交流电压变换为单方向的脉动电压。在小功率直流电源中，经常采用单相半波、单相全波和单相桥式整流电路。其中以单相桥式整流电路用得最为广泛。

10.1.1单相半波整流电路电路组成如图所示。设

1.电路的工作原理u1u2iDuDuoRLi0ab为了便于讨论，我们假定二极管为理想二极管，即正向电阻为零，正向管压降为零，反向电阻为无穷大；忽略变压器内阻，负载为纯电阻。⑴当u2>0时，二极管导通，忽略二极管正向压降,则有⑵

当u2<0时，二极管截止，则有u1u2iDuDuoRLi0abTu2从以上的分析可以看出，在交流电压的一个周期内，二极管只在半个周期内导通工作。另外半个周期截止不能工作。iDu1u2uDFuoRLioabT0在一个周期内，电路各电压与电流的波形如下图所示。输入波形：电流波形：输出波形：二极管承受反向电压波形：2.直流电压Uo和直流电流Io

的计算我们可以看到，半波整流的输出波形波动较大，每个半波中既含有直流，又含有交流成分。为此可以用脉动系数S来衡量输出波形波动的大小。uiu2iDuDuoRLi0ab0

3.脉动系数S：定义为基波最大值Uo1m

与输出直流电压Uo

的比值。表达式为：4.整流元件（二极管）的选择原则（1）所选二极管的最大整流电流IF大于二极管的工作电流ID，即：（2）所选二极管的最大反向工作电压UR大于二极管所承受的最大反向峰值电压URM，即10.1.2单相全波整流电路

为了降低单相半波整流电路的脉动系数，提高电源利用率，可以将两个半波整流电路组合为一个全波整流电路以提高交流能量的利用率，且改善脉动系数。1.单相全波整流电路

VD1VD2u2u2u1RLUoB

利用电源变压器的副边中间抽头和VD1、VD2

组成全波整流电路，使两个二极管在交流的正负半周轮流导通，且使流过负载的电流为同一方向，故在交流的正负半周负载上均有电压。i

D1⑴在

u2正半周时，u2极性为上正下负，二极管VD1导通，二极管VD2截止，则有⑵在u2正半周时

，u2极性为上负下正，二极管VD2导通，二极管VD1截止，则有iD2VD1VD2u2u1RLuoBu2VD1VD2u2u1RLuoBu20u2ωt0iD1ωt0iD2ωt0ioωt副边电压VD1导通时电流波形VD2导通时电流波形负载上电流波形0ioωt0uoωt负载上电流波形负载上电压波形二极管反向截止承受的电压0uD1ωtuD2-2u2m2.直流电压UO和直流电流IO的计算

由输出波形可看出,全波整流输出波形是半波整流时的两倍,所以输出直流电压也为半波时的两倍,即

3.脉动系数S

求得基波最大值为0uoωt4.选管原则

选择管子时要求:

（1）由于VD1、VD2轮流导电,故流过每个管子的平均电流为输出平均电流的一半,即

（2）全波整流电路每管承受的反向峰值电压URM为u2的峰值电压的两倍,即所选二极管的最大反向工作电压UR选管时应满足:(10-12)10.1.3单相桥式整流

为了克服单相全波整流的缺点，常采用单相桥式整流电路。这种整流电路只需要一个副边绕组同样可以达到全波整流的目的。单相桥整流电路图常见的几种画法。(a)u2(b)(c)

D4D1D2D3RLBYQu1u2u0在正半周，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止。电流方向如图所示。流过负载的电流方向为自上而下，在负载上产生的电压为上正下负，如图所示。

下面我们以（a）图为例，分析一下桥式整流电路的工作原理以及电路有关的计算。1.电路的工作原理D4D1D2D3RLBYQu1u2u0在负半周，VD1、VD3截止，VD2、VD4导通。电流流动方向如图所示。流过负载的电流方向为至上而下，负载上得到的电压仍为上正下负，如图所示。ωtio0ωtuo0ωtudf0ωtu20ωtiD10iD3ωtiD20iD4uD4,uD2uD3,uD12.直流电压UO和直流电流IO的计算

3.脉动系数SS=0.674.选管原则

从以上三种整流电路的分析可以看出需要直流供电的负载得到的是脉动的直流电压和电流，它们含有交流成分，输出波形与理想的直流相差甚大，为了改变这种状况，我们可以在整流电路后加滤波电路，使输出波形变得更平滑一些，趋于理想的直流。10.2滤波电路

滤波电路的作用：就是滤掉整流电路中输出电压的脉动成分，使输出电压变得平滑一些，更接近理想的直流。常用的滤波电路是由R、L、C这些元件组成不同形式的滤波电路。显然，以上的三种元件中，R是耗能元件，而L、C是储能元件。从阻抗的角度看：电容C对直流：

对交流：所以电容元件具有通交流，隔直流作用。所以电感元件具有隔交流，通直流的作用。电感

L对直流：对交流：常见的滤波电路有以下三种形式：电容滤波电路；电感滤波电路；复式滤波电路。鉴于L、C元件以上的特点，在使用中，电感元件一般串接在电路中使用，电容元件并联在电路中。1.电路组成及工作原理

在整流电路的输出端并接一个带极性的电解电容器即构成了电容滤波电路。图示电路为空载时的原理图。输出端开路10.2.1电容滤波电路电容滤波电路空载时的原理图CuOVD4VD1VD3VD2BYQu1u2（1）空载时的情况分析

u2uCωt0空载时电容滤波电路输出波形电容充电充电结束没有电容时的输出波形uo的波形电容器因为无放电回路，故电容电压uC将维持不变。CuOVD4VD1VD3VD2BYQu1u2（2）带电阻负载时的情况之后u2下降,由于电容电压不能突变，VD1～VD4均反向偏置，故电容C通过RL放电。由于RL较大，故放电时间常数RLC较大。

当t=0时电源接通，u2在正半周通过VD1、VD2对电容充电。由于等效电阻小，故这一段时间uo=u2，当t=t1时，

,电容电压也达到最大值。iD0ωtt1t2t3t4t5t6t7t8t9u2ωt充电放电CuOVD4VD1VD3VD2BYQu1u2uoωtuoωtiD0ωtt1t2t3t4t5t6t7t8t9u2ωt

放电过程直至下一个周期u2上升到和电容上电压uC相等的t2时刻，u2通过VD3、VD4对C充电，直至t=t3，二极管又截止，电容再次放电。如此循环,形成周期性的电容器充放电过程。但是负载上得到的确是近似理想直流的电压与电流。充电放电CuOVD4VD1VD3VD2BYQu1u2根据以上分析，得到电容滤波器的如下特点：

(1)电容滤波以后,输出直流电压提高了,同时输出电压Uo的脉动成分也降低了，而且输出直流电压与放电时间常数有关。（设电源电压的周期T)RLC大RLC小uoωt充电放电S=0由此可见，应选择大容量的电容作为滤波电容。这里因为要求负载电阻RL也要大，所以,电容滤波适用于大负载场合下运用。RLC变化对电容滤波的影响S≈0.670<S<0.672.电容滤波电路的输出电压随输出电流而变化iD0ωtt1t2t3t4t5t6t7t8t9(若考虑内阻,则UO值将下降)

3.电容滤波电路中整流二极管的导电时间缩短了,导通角小于180°,且电容放电时间常数愈大，则导电角愈小。UOIO00.9U2内阻=0内阻≠0电容滤波电路外特性4.电容滤波电路容量的估算由以上分析可见，电容滤波电路具有结构简单，使用方便的特点，但是当要求输出电压的脉动成分非常小时，则要求电容器的容量很大，这样不仅不经济，是、甚至不可能。另外当要求输出动力较大或输出电流变化较大时，电容滤波电路也不使用。此时应考虑其它形式的滤波电路。LC型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。RC–

型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤波电路。LC–

型滤波电路：在电容滤波后面再接LC滤波电路。10.2.2其它型式的滤波电路1、RC–

型滤波电路Ruou2u1C1C2RL我们主要讨论uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系。uo交流基波分量的电压的幅值：uo的直流分量：RuoC1C2RLuo的交流分量的基波的幅值模量：设uo1的直流分量为,交流分量的基波的幅值为，则：uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：直流电流：直流电压:通常选择滤波元件的参数使得：通常情况下，，所以S<S′。u2u1LuoC2RLuo1C1显然，LC–

型滤波电路输出电压的脉动系数比只有C滤波时更小，波形更加平滑。2、LC–

型滤波电路直流电压:直流电流：脉动系数：为C1两端电压的脉动系数。u2u1LuoCRLuo12、LC型滤波电路设uo1的直流分量为,交流分量的基波的幅值为，则：通常选择滤波元件的参数使得：uo的脉动系数S与uo1的脉动系数S´的关系：通常情况下，，所以S<S′。u1u2uoC1C2vD1vD2abT10.3倍压整流电路为了得到较高的直流电压，在前面介绍的各种整流电路中就必须提高变压器的副边电压u2

，但是变压器的体积将增大，重量增加，其次二极管和滤波电容的耐压也要提高，这是我们所不希望的。为了满足某些需要高电压小电流的负载，可以采用倍压整流电路。10.3.1二倍压整流电路u2的正半周时：VD1导通，VD2截止，理想情况下，电容C1的电压充到：负载上的电压：u2的负半周时：此时加在C2的电压为VD2导通，VD1截止，理想情况下，电容C2的电压充到：。当变压器副边电压进入第二周期正半周时，VD1

导通，VD2截止。C1又被充电，在副半周VD1截止，VD2导通，C2又被充电到。u1u2uoC1C2vD1vD2abTRL二倍压整流电路的计算我们可以得到n倍压的整流电路如下图所示。

10.3.2多倍压整流电路的工作原理u2的第一个正半周：u2、VD1、C1构成回路，C1充电到u2的第一个负半周：u2、C1、VD2、

C2

构成回路，C2充电到。u2的第二个正半周：u2、C2、VD3、C3、C1构成回路，C1补充电荷，C3充电到：u2的第二个负半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1构成回路，C2补充电荷，C4充电到。u1au2C1C2VD1VD2bVD3C3C5C4C6VD5VD4VD6Tu1au2C1C2VD1VD2bVD3C3C5C4C6VD5VD4VD6T

把滤波电容C接在相应电容组的两端，即可获得所需的多倍压直流输出。RLC交流电经过整流滤波后，可得平滑的直流电压，但当交流电网电压波动或者负载变化时，整流滤波电路的输出电压也随之而变，这对某些需要稳定直流供电的设备是不合适的，为此需要再加稳压电路，以使输出电压在上述情况下能基本保持不变。10.4稳压电路稳压管稳压电路常用稳压电路(小功率设备)线性稳压电路开关型稳压电路电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压。效率较高，目前用的也比较多。带负载能力强，效率较低。下图是由硅稳压管组成的稳压电路，图中电阻R是限流电阻，稳压管VDZ

必须与负载并联。电路图总共包括了整流电路，滤波电路，稳压电路。u1u2CU0RRLVDZZLBUI10.4.1稳压电路的主要指标

1.稳压系数Sr

稳压系数是在负载固定不变的前提下,输出电压的相对变化量ΔUO/UO与稳压电路输入电压的相对变化量ΔUI/UI之比,即

该指标反映了电网波动对输出电压的影响。此处稳压电路输入电压UI就是整流滤波以后的直流电压。

2.稳压电路的输出电阻rO

输出电阻可以衡量稳压电路受负载电阻的影响程度,即

RRLVDZ+UIUo+IRIZIo10.4.2硅稳压管稳压电路

1.稳压原理稳压过程：

(1)输入电压UI保持不变,负载电阻RL变化。RRLVDZ+UIUo+IRIZIo10.4.2硅稳压管稳压电路

1.稳压原理稳压过程：(2)负载电阻RL不变,电网电压变化。ΔUIRLRrzΔUo指标计算

(1)稳压系数。当R>>rz时

(2)输出电阻rO。ΔIΔUIminImax0IU3.稳压管的作用及限流电阻R的选择稳压管与限流电阻组成了稳压电路，稳压管应与负载并联。要求稳压管工作在反向击穿区，且保证它工作在允许的电流变化范围内。则撤消反向电压后，稳压管仍可以恢复原态，并不损坏。稳压管反向击穿后，只要通过稳压管的电流Iz处于maxZZminZIII<<当时，不起稳压作用时，当稳压管可能因过热击穿而损坏。从稳压管的特性曲线上可以看到，只要保证稳压管的电流在范围内，在电流较大变化范围内，电压的变化范围较小，起到了稳定电压的作用。为了保证输出电压稳定，应使流过稳压管的电流范围为：限流电阻的选择计算当电网电压波动时，整流滤波输出电压UI变化的范围应为：负载变化时，负载电流应在最大值和最小值之间，即：

(1)当电网电压最高，即为UImax，且负载电流最小为时,流过稳压管的电流最大，其值不应超过Iz

max，即

(2)当电网电压最低，即为UImin，且负载电流最大为时,流过稳压管的电流最小,其值不应低于允许的最小值,即10.4.3串联型稳压电路图10–16串联型稳压电路原理框图基准电压比较放大取样网络过载短路保护辅助电源U0C1C2UIURFU0I0V调整元件串联型稳压电源通常由调整元件、基准电压、取样网络、比较放大环节以及过载或短路保护、辅助电源等部分组成。串联型稳压电路的几种接线形式:RCVDZRZR2R1RWRLV1V2FU0U0UIURI01.三极管组成的比较取样环节的接线形式输出电压满足下式:RCVDZRZR2R1RWRLV3V2FU0U0UIREI0URV12.差动放大器组成的比较取样环节的接线形式输出电压满足下式:FU0RCVDZRZR2R1RWRLV1U0UII0UR∞3.运算放大器组成的比较取样环节的接线形式输出电压满足下式:RCVDZRZR2R1RWRLV1V2FU0U0UIURI0以下图为例，分析它的工作过程：

V1

管是调整元件是核心部分，组成的是射极输出器，负载电阻作为射极电阻，而整流滤波输出电压作为电源。输出电压：U0=UI

－UCE1

。

R1

；R2；RW

组成取样网络，RZ及稳压管VDZ组成基准电压，V2和RC组成比较放大环节。RCVDZRZR2R1RWRLV1V2FU0U0UIURI0图10–18具有辅助电源的稳压电路2.带辅助电源的串联型稳压电路：1.输出电压UO的计算及调节范围输出电压的调节范围受取样环节中的电位器中间头位置的影响，当其滑到最上端时，输出电压最小。滑到最下端，电压最大。2.最大负载电流额定值的估算IB1IC3当负载电流增大时，要求IB1也相应增大，为保持IR不变，V3的IC3应相应减小，而IC3的减小是有限度的，当IC3≈0时，V3已无法再起调节作用，当IC3=0时，I0=I0max，故IB1IC3因为：所以3.调整管的考虑(1)对ICM的考虑。调整管中流过的最大集电极电流为(2)对PCM的考虑。调整管可能承受的最大集电极功耗为选管时要求：I′…为取样、比较放大环节所消耗的电流(3)对击穿电压BUCE的考虑。当输出短路时,输入最大电压UImax,全加在调整管c、e间，所以(4)采用复合调整管：【例2】在图10-18中VDz1稳压电压UDz1=UR=7V,采样电阻RA=1kΩ,RB=680Ω,RW=200Ω,试估算输出电压的调节范围。解:10.5集成稳压电路10.5.1基本应用电路图10–20W78系列基本应用电路10.5.2扩大输出电流的电路图10–21扩大输出电流的电路10.5.3扩大输出电压的电路图10–22扩大输出电压的电路图中R1上的电压为W78的标称输出电压U××，输出端对地的电压为式中IQ为W78的静态工作电流,通常IQR2较小，输出电压近似为：图10–23输出电压可调电路10.5.4输出电压可调的电路10.6开关稳压电路10.6.1串联型开关稳压电源串联型开关稳压电源是最常用的开关稳压电源。图a为串联它激式单端降压型开关稳压电源的方框图。1.电路组成2.工作原理和稳压过程图10–26UO变化引起占空比D变化的自动稳压过程

(1)正常情况下,输出电压UO恒定不变,即为该稳压器的标称值,此时UF与UR应相等,uO1=0,A2比